超導(dǎo)電機

迄今為止超導(dǎo)電機的研究主要是超導(dǎo)同步發(fā)電機和超導(dǎo)單極電機，而超導(dǎo)同步發(fā)電機主要還只是轉(zhuǎn)子勵磁繞組采用超導(dǎo)線圈。電機的定子繞組由于是在50Hz工頻下工作，超導(dǎo)材料交流損耗較大，因此在20世紀(jì)80年代前研制的超導(dǎo)電機，定子繞組仍然采用常規(guī)銅繞組。在80年代中期后，人們研究出極細(xì)絲交流超導(dǎo)復(fù)合線，其交流損耗已降低到可接受的程度，因此已開始研究定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組全部采用超導(dǎo)材料的全超導(dǎo)電機。

這樣超導(dǎo)電機的定、轉(zhuǎn)子處于同一的溫度空間，消除了室溫氣隙，亦無需單獨的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)容器，這不僅簡化了電機結(jié)構(gòu)，也簡化了低溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了電機運行的可靠性。如果能進一步提高電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組的磁通密度，并采用高溫超導(dǎo)體作為磁屏蔽，還有可能免去鐵芯和鐵軛，將大大減輕電機的重量。超導(dǎo)單極電機是一種沒有換向器的低壓大電流直流電機，其靜止的勵磁線圈是超導(dǎo)的，而旋轉(zhuǎn)電樞仍然是常規(guī)銅線圈。

由于超導(dǎo)單極電機的功率大、重量輕，如比功率可達(dá)746W/kg以上，因此有廣泛應(yīng)用前景，如應(yīng)用于船舶電力推進。當(dāng)前人們還開始研究用高溫超導(dǎo)塊材料取代永磁電機中的永磁材料做成超導(dǎo)永磁電機，法、美等國已研制出500～1000W的超導(dǎo)永磁電機原理樣機，并計劃研制更大功率的超導(dǎo)永磁電機。

圖為轉(zhuǎn)子用超導(dǎo)勵磁繞組的超導(dǎo)發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)，由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。

超導(dǎo)電機定子

常規(guī)發(fā)電機中，電樞繞組嵌于貼心之中，鐵心是繞組的支撐件。由于電樞電流是交流電流，鐵心要選用鐵耗低的硅鋼片。超導(dǎo)發(fā)電機中，由于磁通密度高，采用非磁性高強度材料支撐繞組。但是，為了構(gòu)成電樞繞組的磁回路和防止磁場泄露，在定子外層需要采用鐵磁材料屏蔽。

超導(dǎo)電機轉(zhuǎn)子

用超導(dǎo)體制成的勵磁繞組要運行在低溫環(huán)境，超導(dǎo)發(fā)電機的轉(zhuǎn)子一般采用多重圓筒結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子內(nèi)筒為冷卻介質(zhì)儲槽，然后是超導(dǎo)勵磁繞組及其支撐筒、熱輻射屏蔽筒，以及阻尼筒、真空外殼。

（1）冷卻介質(zhì)儲槽及輸送、回收系統(tǒng)。超導(dǎo)體必須運行在臨界溫度以下才能維持穩(wěn)定的超導(dǎo)態(tài)。支撐超導(dǎo)繞組的內(nèi)筒兼做冷卻介質(zhì)儲槽。低溫超導(dǎo)發(fā)電機中的冷卻介質(zhì)為液氦，高溫超導(dǎo)發(fā)電機則可用液氮或溫度在30K左右的低溫氦氣作為冷卻介質(zhì)。冷卻介質(zhì)從冷卻系統(tǒng)輸入到轉(zhuǎn)子內(nèi)部冷卻超導(dǎo)線圈，蒸發(fā)的冷卻介質(zhì)通過回流通道排出，并和外部冷卻系統(tǒng)形成循環(huán)。冷卻介質(zhì)儲槽外為真空層，以抑制熱量的侵入。

（2）轉(zhuǎn)子勵磁繞組。常規(guī)發(fā)電機中，由于導(dǎo)線的電流密度受到限制，僅靠繞組難以產(chǎn)生很強的磁場，必須將繞組嵌入鐵心中，鐵磁材料的飽和磁通密度小于2T，因此，常規(guī)發(fā)電機中的磁通密度小于2T。實用低溫超導(dǎo)材料的允許電流密度比銅線高出兩個數(shù)量級以上，臨界磁場大于10T。所以，使用超導(dǎo)技術(shù)不僅可以省去鐵心，而且可以運行在遠(yuǎn)高于鐵心磁飽和的磁通密度(一般設(shè)計為5～7T)。

（3）熱輻射屏蔽筒。繞組筒外為真空空間，其中設(shè)有熱輻射屏蔽筒，其作用是降低從常溫向低溫的熱傳導(dǎo)，提高冷卻效率。真空層抑制通過空氣的熱傳導(dǎo)，熱輻射屏蔽筒抑制從常溫外筒來的熱輻射。

（4）阻尼筒。超導(dǎo)發(fā)電機中的阻尼筒既具有常規(guī)發(fā)電機中阻尼繞組的功能——在電磁動態(tài)過程中抑制轉(zhuǎn)子的非同期振蕩，又具有緩解動態(tài)過程中定子的交流磁場對超導(dǎo)繞組影響的作用，以提高超導(dǎo)穩(wěn)定性。為了提高阻尼性能，可采用多重阻尼筒。熱輻射屏蔽筒也可兼有阻尼筒作用。

（5）力矩傳導(dǎo)筒。在發(fā)電機中，電樞繞組切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，向負(fù)載輸出電能，原動機向轉(zhuǎn)子提供驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。常規(guī)發(fā)電機中，轉(zhuǎn)矩通過軸直接傳給轉(zhuǎn)子鐵心，鐵心帶動勵磁繞組旋轉(zhuǎn)。但在超導(dǎo)發(fā)電機中，必須盡量抑制進入超導(dǎo)低溫環(huán)境的熱量，所以不能用傳熱量大的實心軸傳遞轉(zhuǎn)矩，而要采用可抑制熱量傳導(dǎo)、壁厚較?。▊鳠崃亢蛡鳠峤孛娣e成正比）的力矩傳導(dǎo)筒。

超導(dǎo)汽輪發(fā)電機

勵磁繞組用超導(dǎo)線(鈮鈦Nb-Ti合金線或鈮三錫Nb3Sn)繞制。選用的電流密度高達(dá)傳統(tǒng)常規(guī)繞組的幾十倍。電機的磁通氣隙密度取得很高，大大超過了鐵磁材料（硅鋼片等）的飽和點。因而發(fā)電機重量大幅度下降，提高了發(fā)電機的電磁功率的最大值，使電機可以應(yīng)付更大的功率突變，這有利于電機并網(wǎng)運行時的穩(wěn)定性。因強磁場、大電流密度的交流超導(dǎo)材料尚未過關(guān),所以只能在直流勵磁繞組中采用超導(dǎo)線,而交流電樞繞組則仍用常規(guī)導(dǎo)線（銅線）。 　轉(zhuǎn)子超導(dǎo)勵磁繞組浸于旋轉(zhuǎn)的低溫液氦容器中，由多層轉(zhuǎn)軸的內(nèi)層輸送液態(tài)氦，以冷卻勵磁繞組。蒸發(fā)后的氣態(tài)氦從多層轉(zhuǎn)軸的夾層流出。為了避免外界熱量的侵入，在旋轉(zhuǎn)低溫容器的外殼以及多層轉(zhuǎn)軸的層間均設(shè)有真空隔熱夾層。整套低溫系統(tǒng)嚴(yán)格密封。在轉(zhuǎn)子外層還裝有用金屬材料制成的電阻尼屏，以屏蔽定子諧波磁場及發(fā)電機在三相不對稱運行時的負(fù)序磁場進入超導(dǎo)勵磁繞組，避免超導(dǎo)材料失去超導(dǎo)性。

超導(dǎo)單極直流電機

采用超導(dǎo)勵磁繞組及液態(tài)電刷，可以制成高電壓、大電流、大容量的直流電機。有圓盤式和折入式兩種。這兩種電機均可作發(fā)電機運行（由原動機驅(qū)動），也可作電動機運行(由電刷引入電流)。超導(dǎo)單極直流電機適用于船舶推進、軋鋼、大型卷揚機和慢速壓縮機等場合，很有發(fā)展前途。

超導(dǎo)線在臨界溫度T、臨界磁場強度H及臨界電流密度J值以內(nèi)時具有超導(dǎo)性，其電阻為零。這將使超導(dǎo)電機繞組的電阻損耗降為零，既解決了電樞繞組發(fā)熱、溫升問題，又使電機效率大為提高。更重要的是超導(dǎo)線的臨界磁場強度和臨界電流密度都很高，使超導(dǎo)電機的氣隙磁通密度和繞組的電流密度可比傳統(tǒng)常規(guī)電機提高數(shù)倍乃至數(shù)十倍。這就大大提高電機的功率密度，降低電機的重量、體積和材料消耗。

由于采用超導(dǎo)線圈，使繞組提高了載流能力，產(chǎn)生比常規(guī)線圈大數(shù)倍的磁場而又幾乎無焦耳熱損耗，因而具有一系列先進的技術(shù)經(jīng)濟特性。如用于同步發(fā)電機可以提高電機效率，大約比常規(guī)電機提高0.5%～0.8%；體積小、重量輕，整機重量可減小1/3～1/2；電機電抗可減少到1/4，從而提高電機運行穩(wěn)定性。它還可以省鐵芯，使電機的電樞繞組對地絕緣水平大大提高，同時由于氣隙磁通密度可比常規(guī)電機大4～5倍，單機容量可達(dá)百萬千伏安以上。

高溫超導(dǎo)電機有著體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度和效率高、極限容量大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，被公認(rèn)為是在不久的將來具有商業(yè)競爭力的新型電機之一。阻尼屏蔽系統(tǒng)是超導(dǎo)電機所獨具的特殊結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵部件之一，它的作用是減少交變磁場對超導(dǎo)線圈的影響，以保證其工作在超導(dǎo)狀態(tài)，并提高電機效率；同時，它對轉(zhuǎn)子的振蕩起阻尼作用，使超導(dǎo)電機能夠穩(wěn)定運行。本項目擬結(jié)合海上風(fēng)力發(fā)電機等高溫超導(dǎo)電機的工作特點，建立多層屏筒式阻尼屏蔽系統(tǒng)的電磁場與溫度場或應(yīng)力場的耦合分析模型以及場-路耦合分析模型，結(jié)合高溫超導(dǎo)帶材特性，分析多層屏筒式阻尼屏蔽系統(tǒng)的屏蔽效能、阻尼能力、對高溫超導(dǎo)線圈勵磁調(diào)節(jié)和交流損耗的影響、各薄壁筒的受力情況、以及各薄壁筒中的雜散損耗對低溫制冷系統(tǒng)的影響。本項目的研究成果將進一步完善超導(dǎo)電機阻尼屏蔽系統(tǒng)的分析和設(shè)計理論，并為高溫超導(dǎo)電機設(shè)計提供鋪墊。

高溫超導(dǎo)電機有著體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度和效率高、極限容量大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，被公認(rèn)為是在不久的將來具有商業(yè)競爭力的新型電機之一。阻尼屏蔽系統(tǒng)是超導(dǎo)電機所獨具的特殊結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵部件之一，它的作用是減少交變磁場對超導(dǎo)線圈的影響，以保證其工作在超導(dǎo)狀態(tài)，并提高電機效率；同時，它對轉(zhuǎn)子的振蕩起阻尼作用，使超導(dǎo)電機能夠穩(wěn)定運行。 本項目結(jié)合海上風(fēng)力發(fā)電機等高溫超導(dǎo)電機的工作特點，建立了多層屏筒式阻尼屏蔽系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)電磁場解析法和有限元法分析模型，多物理場仿真以及場-路耦合分析模型；結(jié)合高溫超導(dǎo)勵磁線圈特性，分析了多層屏筒式阻尼屏蔽系統(tǒng)的屏蔽效能、阻尼能力、以及屏蔽和阻尼特性對超導(dǎo)電機超瞬態(tài)參數(shù)的影響，并且研究了屏蔽與阻尼性能之間的相關(guān)性；分析了阻尼屏蔽系統(tǒng)對高溫超導(dǎo)線圈勵磁調(diào)節(jié)和交流損耗的影響、各薄壁筒的受力情況、以及各薄壁筒中的雜散損耗對低溫制冷系統(tǒng)的影響；研制了阻尼屏蔽系統(tǒng)的實驗?zāi)Ｐ?，搭建了實驗平臺，并且利用它對理論計算結(jié)果進行了實驗驗證。本項目的研究成果進一步完善了超導(dǎo)電機阻尼屏蔽系統(tǒng)的分析和設(shè)計理論，并為高溫超導(dǎo)電機設(shè)計提供了鋪墊。 2100433B